Serie di sguardi - Staring array

"Array sul piano focale" reindirizza qui. Per gli array utilizzati nei radiotelescopi, vedere Array sul piano focale (radioastronomia) .

Un array di sguardi , noto anche come array di piani di osservazione o array di piani focali ( FPA ), è un sensore di immagine costituito da un array (tipicamente rettangolare) di pixel sensibili alla luce sul piano focale di un obiettivo . Gli FPA sono usati più comunemente per scopi di imaging (es. scattare foto o immagini video), ma possono anche essere usati per scopi non di imaging come spettrometria , LIDAR e rilevamento del fronte d'onda .

In radioastronomia , l' FPA è al centro di un radiotelescopio . A lunghezze d'onda ottiche e infrarosse, può riferirsi a una varietà di tipi di dispositivi di imaging, ma nell'uso comune si riferisce a dispositivi bidimensionali che sono sensibili allo spettro infrarosso . I dispositivi sensibili in altri spettri sono generalmente indicati con altri termini, come CCD ( dispositivo ad accoppiamento di carica ) e sensore di immagine CMOS nello spettro visibile. Gli FPA operano rilevando fotoni a particolari lunghezze d'onda e quindi generando una carica elettrica, una tensione o una resistenza in relazione al numero di fotoni rilevati in ciascun pixel. Questa carica, tensione o resistenza viene quindi misurata, digitalizzata e utilizzata per costruire un'immagine dell'oggetto, della scena o del fenomeno che ha emesso i fotoni.

Le applicazioni per gli FPA a infrarossi includono sensori di guida per missili o armi correlate, astronomia a infrarossi, ispezione di produzione, imaging termico per la lotta antincendio, imaging medico e fenomenologia a infrarossi (come l'osservazione della combustione, l'impatto di armi, l'accensione del motore a razzo e altri eventi interessanti nell'infrarosso spettro).

Confronto con l'array di scansione

Ulteriori informazioni: scanner a scopa a spinta e scanner a scopa a frusta

Gli array di partenza sono distinti dagli array di scansione e dagli imager TDI ( integrazione con ritardo temporale ) in quanto visualizzano il campo visivo desiderato senza eseguire la scansione. Gli array di scansione sono costruiti da array lineari (o array 2-D molto stretti) che sono rasterizzati attraverso il campo visivo desiderato utilizzando uno specchio rotante o oscillante per costruire un'immagine 2-D nel tempo. Un imager TDI funziona in modo simile a un array di scansione, tranne per il fatto che immagini perpendicolarmente al movimento della telecamera. Una serie di sguardi è analoga al film in una tipica macchina fotografica; cattura direttamente un'immagine 2-D proiettata dall'obiettivo sul piano dell'immagine. Un array di scansione è analogo a mettere insieme un'immagine 2D con foto scattate attraverso una stretta fessura. Un imager TDI è analogo a guardare attraverso una fessura verticale fuori dal finestrino laterale di un'auto in movimento e costruire un'immagine lunga e continua mentre l'auto attraversa il paesaggio.

Gli array di scansione sono stati sviluppati e utilizzati a causa delle difficoltà storiche nella fabbricazione di array 2-D di dimensioni e qualità sufficienti per l'imaging 2-D diretto. I moderni FPA sono disponibili con un massimo di 2048 x 2048 pixel e più produttori stanno sviluppando dimensioni maggiori. Gli array 320 x 256 e 640 x 480 sono disponibili e convenienti anche per applicazioni non militari e non scientifiche.

Costruzione e materiali

La difficoltà nel costruire FPA di alta qualità e ad alta risoluzione deriva dai materiali utilizzati. Mentre gli imager visibili come i sensori di immagine CCD e CMOS sono fabbricati in silicio, utilizzando processi maturi e ben compresi, i sensori IR devono essere fabbricati da altri materiali più esotici perché il silicio è sensibile solo negli spettri visibile e vicino all'IR. I materiali sensibili agli infrarossi comunemente usati negli array di rivelatori IR includono tellururo di mercurio e cadmio (HgCdTe, "MerCad" o "MerCadTel"), antimoniuro di indio (InSb, pronunciato "Inns-Bee"), arseniuro di indio e gallio (InGaAs, pronunciato "Inn- Gas") e ossido di vanadio (V) (VOx, pronunciato "Vox"). È possibile utilizzare anche una varietà di sali di piombo, ma oggi sono meno comuni. Nessuno di questi materiali può essere coltivato in cristalli vicino alle dimensioni dei moderni cristalli di silicio, né i wafer risultanti hanno quasi l'uniformità del silicio. Inoltre, i materiali utilizzati per costruire array di pixel sensibili agli infrarossi non possono essere utilizzati per costruire l'elettronica necessaria per trasportare la carica, la tensione o la resistenza risultanti di ciascun pixel al circuito di misurazione. Questo insieme di funzioni è implementato su un chip chiamato multiplexer o circuiti integrati di lettura (ROIC) ed è tipicamente fabbricato in silicio utilizzando processi CMOS standard. L'array di rivelatori viene quindi ibridato o legato al ROIC, in genere utilizzando il legame a urto di indio, e l'assieme risultante è chiamato FPA.

Alcuni materiali (e gli FPA fabbricati da essi) funzionano solo a temperature criogeniche e altri (come il silicio amorfo resistivo (a-Si) e i microbolometri VOx ) possono funzionare a temperature non raffreddate. Alcuni dispositivi sono pratici solo per funzionare criogenicamente, altrimenti il rumore termico sommergerebbe il segnale rilevato. I dispositivi possono essere raffreddati per evaporazione, tipicamente mediante azoto liquido (LN2) o elio liquido, oppure utilizzando un refrigeratore termoelettrico .

Un aspetto peculiare di quasi tutti gli FPA IR è che le risposte elettriche dei pixel su un dato dispositivo tendono ad essere non uniformi. In un dispositivo perfetto ogni pixel emetterebbe lo stesso segnale elettrico quando gli viene dato lo stesso numero di fotoni di lunghezza d'onda appropriata. In pratica, quasi tutti gli FPA hanno sia un significativo offset pixel-to-pixel che una non uniformità di risposta fotografica pixel-to-pixel (PRNU). Quando non è illuminato, ogni pixel ha un diverso livello di "segnale zero", e quando è illuminato anche il segnale delta in è diverso. Questa non uniformità rende le immagini risultanti poco pratiche per l'uso fino a quando non sono state elaborate per normalizzare la foto-risposta. Questo processo di correzione richiede una serie di dati di caratterizzazione noti, raccolti dal particolare dispositivo in condizioni controllate. La correzione dei dati può essere eseguita nel software, in un DSP o FPGA nell'elettronica della fotocamera, o anche sul ROIC nei dispositivi più moderni.

I volumi ridotti, i materiali più rari e i processi complessi coinvolti nella fabbricazione e nell'utilizzo di FPA IR li rendono molto più costosi degli imager visibili di dimensioni e risoluzione comparabili.

Gli array di piani fissi sono utilizzati nei moderni missili aria-aria e missili anticarro come l' AIM-9X Sidewinder , ASRAAM

Il crosstalk può inibire l'illuminazione dei pixel.

Applicazioni

Imaging LIDAR 3D

È stato riportato che gli array sul piano focale (FPA) sono stati utilizzati per l' imaging LIDAR 3D .

Miglioramenti

Nel 2003, è stata segnalata una breadboard 32 x 32 pixel con capacità di reprimere il cross talk tra FPA. I ricercatori del laboratorio di ricerca dell'esercito americano hanno utilizzato un collimatore per raccogliere e dirigere il raggio laser della breadboard sui singoli pixel. Poiché si osservavano ancora bassi livelli di tensione nei pixel che non si illuminavano, ciò indicava che l'illuminazione era impedita dalla diafonia . Questa diafonia è stata attribuita all'accoppiamento capacitivo tra le linee della microstriscia e tra i conduttori interni dell'FPA. Sostituendo il ricevitore nella breadboard con uno con una lunghezza focale più corta, la messa a fuoco del collimatore è stata ridotta e la soglia del sistema per il riconoscimento del segnale è stata aumentata. Ciò ha facilitato una migliore immagine annullando il cross talk.

Un altro metodo consisteva nell'aggiungere una membrana di substrato sottile e piatta (spessa circa 800 angstrom) all'FPA. Questo è stato segnalato per eliminare il cross talk da pixel a pixel nelle applicazioni di imaging FPA. In un altro studio FPA con fotodiodo da valanga , l'incisione delle trincee tra i pixel vicini ha ridotto il dialogo incrociato.

Guarda anche

Riferimenti

  1. ^ Armi aria-aria - Royal Air Force
  2. ^ a b c Goldberg, A.; Stann, B.; Gupta, N. (luglio 2003). "Ricerca di imaging multispettrale, iperspettrale e tridimensionale presso il laboratorio di ricerca dell'esercito americano" (PDF) . Atti della Conferenza Internazionale sulla Fusione Internazionale [6a] . 1: 499-506.
  3. ^ Marino, Riccardo M.; Stefano, Timoteo; tratteggio, Robert E; McLaughlin, Joseph L.; Mooney, James G.; O'Brien, Michael E.; Rowe, Gregory S.; Adams, Joseph S.; Skelly, Luca (2003-08-21). "Un sistema radar laser di imaging 3D compatto che utilizza array APD in modalità Geiger: sistema e misurazioni" . 5086 . doi : 10.1117/12.501581.breve . Citare il diario richiede |journal=( aiuto )
  4. ^ Marino, Riccardo M.; Davis, William Rhett (2004). "Jigsaw: un sistema radar di imaging 3D che penetra nel fogliame" . Estratto il 21/08/2018 .
  5. ^ D., Gunapala, S.; V., Bandara, S.; K., Liu, J.; J., Hill, C.; B., Rafol, S.; M., Mumolo, J.; T., Trinh, J.; Z., Tidrow, M.; D., LeVan, P. (maggio 2005). "Matrici sul piano focale QWIP a infrarossi a lunghezza d'onda media e lunga da 1024 x 1024 pixel per applicazioni di imaging" . Citare il diario richiede |journal=( aiuto )
  6. ^ Itzler, Mark A.; Avvicinati, Mark; Owens, Marco; Patel, Ketan; Jiang, Xudong; Slomkowski, Krystyna; Rangwala, Sabbir; Zalud, Peter F.; Senko, Tom (2010-08-19). "Progettazione e prestazioni di array sul piano focale APD a singolo fotone per l'imaging LADAR 3D" . Rivelatori e dispositivi di imaging: infrarossi, piano focale, singolo fotone . SPIE. doi : 10.1117/12.864465 .